重慶地鐵北碚站結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)值模擬研究

翁木生

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，陜西西安 710043)

地下車站的施工方法主要有明挖法、暗挖法等。由于大部分地鐵車站修建在市區(qū)，而暗挖法修建車站具有不影響交通、無管線改移等優(yōu)勢，因此該工法在地鐵車站建設(shè)中應(yīng)用得越來越廣泛［1-2］。暗挖車站的施工工法主要包括雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、中洞法、柱洞法等［3］。在重慶、青島等地，巖質(zhì)地層條件下的地鐵車站施工更加傾向于采用暗挖法施工，因為巖質(zhì)地層具有很高的強度與自穩(wěn)性［4-5］?？缍却?、斷面面積大(300～400 m2)的地鐵車站，設(shè)計一般采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，拱部設(shè)置中空注漿錨桿，使支護結(jié)構(gòu)外側(cè)圍巖形成一定厚度的承載拱。本文基于巖質(zhì)地層條件下的重慶地鐵北碚站，對暗挖車站施工工法的選擇、中空注漿錨桿設(shè)置的合理性問題進行探討。

1 工程概況

車站位于新開業(yè)的步行街下方，周邊商業(yè)發(fā)達，有成片的住宅區(qū)、辦公樓。車站為暗挖雙層島式車站，采用曲墻+仰拱的五心圓馬蹄形斷面，車站主體結(jié)構(gòu)最大開挖斷面寬23.16 m，高18.34 m，屬于特大斷面暗挖隧道，車站頂部覆土約20 m。

車站范圍出露的地層由上而下依次為第四系全新統(tǒng)填土層、殘坡積層和侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組沉積巖層。場地巖層傾向 120°～130°，傾角 40°～50°，主要發(fā)育兩組構(gòu)造裂隙，圍巖級別為Ⅳ級，車站平面如圖1所示。

圖1 車站平面示意

依據(jù)地勘資料，計算中涉及的土體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 車站主體結(jié)構(gòu)巖土體物理力學(xué)參數(shù)

2 車站工法及支護參數(shù)簡介

車站施工工法的選擇應(yīng)根據(jù)車站周邊環(huán)境、工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件、以及斷面跨度與面積等綜合確定［3］。重慶軌道交通中采用暗挖法施工的車站不在少數(shù)，設(shè)計主要采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，分七部或九部開挖［6］。實際工程中，亦有優(yōu)化分部開挖數(shù)量與步序并成功的案例。

本車站暗挖斷面主要支護參數(shù):初期支護噴射厚350 mm C25混凝土，φ25中空注漿錨桿長度3.5 m，雙層φ8@200 mm×200 mm鋼筋網(wǎng)，格柵鋼架@750 mm，拱部150°范圍內(nèi)埋設(shè)φ42超前注漿小導(dǎo)管;二襯采用厚750 mm C40混凝土。

3 數(shù)值模擬分析

根據(jù)本站情況，利用數(shù)值模擬分析來判斷雙側(cè)壁導(dǎo)坑法是否可根據(jù)以往經(jīng)驗優(yōu)化為五部開挖法、巖質(zhì)地層條件下隧道拱頂范圍打設(shè)中空注漿錨桿是否合理等問題?？紤]到隧道洞身兩側(cè)局部存在巖層交界，且車站兩側(cè)建筑物比較密集，計算時選取車站兩側(cè)均存在建筑物的斷面進行分析。

3.1 基本設(shè)定

1)初期支護彈性模量的確定

鑒于初期支護由噴射混凝土與格柵鋼架組成，采用等效剛度方法考慮格柵鋼架的作用，將格柵鋼架的作用按彈性模量折算成噴射混凝土。

2)考慮到支護是在隧道開挖后一定時間后才施加的，因此將支護施加前開挖面上的應(yīng)力釋放系數(shù)定義為40%，初支與臨時支護施加后的應(yīng)力釋放系數(shù)定義為60%。

3)對于主體隧道兩側(cè)的既有建筑，為了簡化建模過程與計算，不考慮樓房上部整體結(jié)構(gòu)，將樓房荷載施加于樁基頂部，樓房荷載按照20 kPa/層進行估算，計算中地面超載作用按20 kPa考慮。

3.2 五部開挖法模擬計算結(jié)果與分析

根據(jù)類似工程經(jīng)驗，將隧道斷面分成五部開挖:左上斷面→右上斷面→左下斷面→右下斷面→中下斷面，每一部開挖后及時施作初支、臨時支護與錨桿，開挖完成后拆除內(nèi)部臨時支護施作二襯，如圖2所示。

1)打設(shè)錨桿而不考慮注漿時的豎向位移

圖3～圖5為不同施工階段，隧道的豎向位移等值線圖。地表與隧道拱頂、拱底測點隨施工步序的沉降變化曲線如圖6所示。

圖2 五部開挖法計算模型

圖3 上半斷面開挖后地層豎向位移等值線

圖4 下半斷面開挖后地層豎向位移等值線

圖5 二襯施作后地層豎向位移等值線

圖6 地表與隧道拱頂、拱底測點隨施工步序沉降曲線

由圖3～圖5可知，隧道上半斷面開挖、下半斷面開挖、二襯施作后，隧道拱頂處最大沉降值分別達到－23.1，－38.1，－66.7 mm，相應(yīng)的地表最大沉降值分別達到 －4.4，－19.0，－43.3 mm。

規(guī)范規(guī)定初期支護允許拱頂相對下沉最大值為0.10%h(h為隧道埋深，本隧道h為20 m)，則初期支護允許拱頂相對下沉最大值為20 mm，而按照五部開挖法，二襯施作前拱頂附近的最大沉降值已經(jīng)達到－38.1 mm，超過了規(guī)范的限值。

2)打設(shè)錨桿而不考慮注漿時的錨桿軸力

圖7為五部開挖法中初支外側(cè)打設(shè)錨桿(未考慮其注漿效果)的最大軸力圖。由圖可見，錨桿的最大軸力73.8 kN出現(xiàn)在拱頂右側(cè)30°位置處，而非一般情況下的拱頂處。這主要是因為五部開挖法在隧道拱頂下方設(shè)置了臨時中隔墻，對隧道拱頂處的應(yīng)力釋放起到了一定的抑制作用。

圖7 錨桿軸力分布

3)初支外側(cè)未打設(shè)錨桿時的豎向位移

二襯施作后地層豎向位移等值線圖如圖8所示。由圖8可知，拱頂處的最大沉降值為－68.5 mm，與打設(shè)錨桿而不進行注漿時的－66.7 mm較為接近(僅增大了2.7%)。

圖8 未打設(shè)錨桿時二襯施作后的地層豎向位移等值線

3.3 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法模擬計算結(jié)果與分析

本次模擬雙側(cè)壁導(dǎo)坑法將隧道斷面分成7個部分進行開挖，如圖9所示。

1)打設(shè)錨桿但不考慮注漿時的豎向位移

圖10～圖12為不同施工階段隧道的豎向位移等值線圖，圖13為地表與隧道拱頂、拱底測點隨施工步序的沉降曲線。

圖9 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法計算模型

圖10 左半斷面開挖后地層豎向位移等值線

圖11 右半斷面開挖后地層豎向位移等值線

圖12 全斷面開挖后地層豎向位移等值線

圖13 地表與隧道拱頂、拱底測點隨施工步序的沉降曲線

由圖10～圖13可知，左半斷面開挖、右半斷面開挖、以及全斷面開挖后，隧道拱頂處沉降最大值分別達到－2.5，－2.4，－5.5 mm，相應(yīng)的地表最大沉降值分別達到 －1.0，－1.9，－3.5 mm。

按照雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，全斷面開挖后隧道拱頂附近的最大沉降值僅為－5.5 mm，明顯小于五部開挖法拱頂附近的最大沉降值－38.1 mm，也小于規(guī)范限值(20 mm)。

2)打設(shè)錨桿但不考慮注漿時的錨桿軸力

圖14為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法中初支外側(cè)打設(shè)錨桿(未考慮其注漿效果)時的最大軸力圖。可見，錨桿的最大軸力(16.4 kN)出現(xiàn)在拱頂偏右位置，與圖7中五部開挖法對應(yīng)處的最大錨桿軸力(73.8 kN)相比，軸力明顯減小，說明雙側(cè)壁導(dǎo)坑法能有效限制拱頂處地層應(yīng)力的釋放。

圖14 錨桿軸力分布

3)初支外側(cè)未打設(shè)錨桿時的豎向位移

圖15為二襯施作后地層的豎向位移等值線圖。可見，拱頂處的最大沉降值為－6.3 mm，與打設(shè)錨桿情況下全斷面開挖后的－5.5 mm較為接近?？梢?，只是單獨打設(shè)錨桿而不對其周邊圍巖進行注漿的話，隧道拱頂處的沉降趨勢并未得到顯著改善。

圖15 未打設(shè)錨桿時二襯施作后的地層豎向位移等值線

3.4 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法與五部開挖法對比分析

1)豎向位移

五部開挖法拱頂和地表處最大沉降值分別為－66.7，－43.3 mm，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法拱頂和地表處最大沉降值分別為－5.5，－3.5 mm。由此可見，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在限制地層位移方面具有明顯的優(yōu)勢。

2)錨桿軸力

五部開挖法的最大錨桿軸力為73.8 kN，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法最大錨桿軸力為16.4 kN，兩者的最大錨桿軸力均出現(xiàn)在隧道拱頂偏右位置。說明雙側(cè)壁導(dǎo)坑法能更加有效地限制地層應(yīng)力的釋放與塑性區(qū)的發(fā)展，能確保襯砌結(jié)構(gòu)具有更大的安全度。

3)錨桿注漿必要性

單純打設(shè)錨桿而不進行注漿時，錨桿的設(shè)置并未顯著改善地層的豎向位移量。由此可見，將錨桿設(shè)置為中空注漿錨桿，同時在錨桿的施作過程中對周邊圍巖進行注漿加固是合理的。

4 結(jié)論

本文對Ⅳ級圍巖巖質(zhì)地層條件下，大跨暗挖車站施工工法的比選、中空注漿錨桿設(shè)置的合理性問題進行了數(shù)值模擬計算分析，得出以下結(jié)論:

1)采用類似圍巖條件下施工經(jīng)驗簡化的五部開挖法，會導(dǎo)致隧道拱頂處與地表處沉降值過大，超過規(guī)范要求，因此本工程不宜采用五部開挖法。

2)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法由于分部工序相對較多，且在兩側(cè)開挖時預(yù)留了中間土柱，因此能更加有效地限制地層應(yīng)力的釋放與塑性區(qū)的發(fā)展(尤其是隧道拱頂部位)，能確保襯砌結(jié)構(gòu)具有更大的安全度。

3)Ⅳ級圍巖淺覆土巖質(zhì)地層條件下，將錨桿設(shè)置為中空注漿錨桿是合理的。在錨桿的施作過程中還應(yīng)加強對中空注漿錨桿注漿效果的控制。

4)目前該車站二襯已施作完成，在開挖過程中曾一度將上半斷面分為兩部開挖，造成了局部坍塌。搶險加固后，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進行開挖支護，有效地控制了施工風(fēng)險和地表沉降。

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